生物炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系

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1、生物炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系①基金项目：甘肃省农业科学院农业科技创新专项计划(2017GAAS26)、甘肃省农业科学院中青年基金项目(2015GAAS32)和甘肃省新型肥料创制工程实验室(甘发改高技【2016】1099号)资助。*通讯作者(yuanjinhua@gsagr.ac.cn)作者简介：袁金华(1982-)，女，河南睢县人，博士，副研究员，主要从事中低产田改良与土壤培肥技术研究。E-mail:yuanjinhua@gsagr.ac.cn袁金华1,2⃰,徐仁扣3,俄胜哲1,2,车宗贤1,2（1甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州73007

2、0；2农业部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站，兰州730070；3土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008）摘要为研究生物炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系，通过厌氧热解的方法于300、500和700℃下制备了玉米秸秆炭。考察了热解温度对玉米秸秆炭水溶性、交换性和盐基总量的影响。采用室内培养的方法考察了添加玉米秸秆炭对酸性土壤的改良效果。结果表明：热解温度影响玉米秸秆炭各形态盐基离子含量，玉米秸秆炭总K、总Na、总Ca、总Mg、水溶性K、水溶性Na、水溶性Ca、交换性Ca和交换性Mg含量随热解温度升高显著增加；水溶性Mg

3、和交换性K含量随热解温度升高先增加后下降。玉米秸秆炭中的K和Na主要以水溶态存在，约40%的Ca和30%的Mg以交换态存在，约50%的Ca和70%的Mg以其他形态（主要为难溶态）存在。添加玉米秸秆炭能极显著提高酸性土壤pH值和降低土壤交换性Al3+含量，提高和降低幅度随热解温度升高极显著增加。总K+总Na+总Ca+总Mg含量可以作为衡量玉米秸秆炭提高酸性土壤pH能力的间接指标。添加玉米秸秆炭能极显著提高土壤交换性K、Na和Mg含量，能显著提高交换性Ca和总盐基离子含量。玉米秸秆炭总K和总Na含量是提高土壤交换性K和Na含量的决定因素，交换性Ca含量在提高土壤交换性Mg和交换

4、性盐基总量中起决定作用。关键词玉米秸秆炭;热解温度;盐基离子形态;土壤改良中图分类号S156.6文献标识码A酸性土壤几乎占据了全球可耕地土壤的50%，随着土壤酸化过程的继续进行，面积还在扩大[1-2]。我国南方热带和亚热带地区分布有大面积的酸性土壤，近30年来由于铵态氮肥的过量施用和酸沉降的持续影响，土壤酸化呈加速发展趋势[3-8]。土壤酸化是土壤退化的一个重要方面，是热带亚热带酸性土壤地区制约土壤生产力的主要限制因素。土壤酸化增加了Al毒和Mn毒对作物的危害，降低了P、Mo、B等元素的有效性，造成Ca、Mg、K等盐基性养分离子的亏缺[9]。近年来研究发现，由生物质热解制备

5、的生物炭是一种高效的酸化土壤改良剂[10-17]。生物炭一般呈碱性，具有提高酸化土壤pH值和降低土壤酸度的作用[18-19]。它不仅能通过增强酸性土壤自身的抗酸化能力而阻止酸性土壤的复酸化，而且可以降低复酸化过程中Al毒的潜在危害[20]。生物炭含有丰富的C及作物所需的N、P、K、Ca、Mg等营养元素，可以提高土壤Ca、Mg、K、Na等盐基离子含量而减小土壤酸化带来的危害[21-22]。生物炭改良酸化土壤过程中，生物炭的碱性物质中和土壤H+的同时其中的盐基离子会释放出来与交换性H+和交换性Al3+发生阳离子交换反应，使部分交换性Al3+释放进入土壤溶液中，此时生物炭中的碱中

6、和由于Al3+水解产生的H+，促进溶液中的活性形态铝转变为惰性的Al(OH)3，这是生物炭增加酸化土壤交换性盐基离子含量、降低土壤交换性酸的主要机制，也是生物炭改良土壤酸度的主要机制[23]。经生物炭改良后的酸性土壤中的盐基离子主要来源于所施用的生物炭，生物炭中盐基离子的含量和存在形态影响其改良酸性土壤的能力，但机制尚不明确。为此，本研究通过3个热解温度下制备的玉米秸秆炭对酸性土壤为期1年的改良实验，旨在研究热解温度对玉米秸秆炭盐基离子含量和存在形态的影响，揭示盐基离子K、Na、Ca、Mg在玉米秸秆炭改良酸性土壤中的作用机制，为生物炭作为高效酸性土壤改良剂的应用提供理论支持

7、。1材料与方法1.1玉米秸秆炭的制备玉米秸秆采自南京市郊区农田。将秸秆于室温下自然风干，粉碎过1mm筛后装入陶瓷坩埚中，装满压实，盖上盖子置于马弗炉中于300、500和700℃下进行厌氧热解，升温速率为20℃/min，热解过程持续4h[24]，待自然冷却至室温后取出研磨过1mm筛备用，热解过程进行3次重复。1.2玉米秸秆炭物理化学性质测定玉米秸秆炭的总K、总Na、总Ca、总Mg含量采用干灰化-酸溶法提取[25]，具体操作步骤为：称取0.2000g的玉米秸秆炭置于坩埚中，每个处理3次重复。将坩埚盖上盖子置于马弗炉中以